"Optiske fingeravtrykk" på en elektronstråle

Jan 15, 2024

(Nanowerk Nyheter) Den nøyaktige kontrollen av elektronstråler i såkalte transmisjonselektronmikroskoper (TEM) gjør det mulig å analysere materialer eller molekyler på atomnivå. Kombinert med korte lyspulser kan disse enhetene også brukes til å analysere dynamiske prosesser. Forskere fra Göttingen og Sveits har nå for første gang vist hvordan elektroner kan skille komplekse lystilstander i et mikroskopisk lyslager i en TEM. Hvordan kan vi bruke lys til å lagre informasjon? Eller bruke den til å overføre data lynraskt? Forskningsfeltet fotonikk tar for seg disse og mange andre spørsmål. Moderne integrert fotonikk gjør det for eksempel mulig å lede eller manipulere lys i kanaler på en mikrobrikke. Det kan også brukes såkalte ikke-lineære optiske prosesser, hvor det skapes nye farger eller ekstremt korte lyspulser for svært høye lysintensiteter. Disse teknologiene brukes allerede i telekommunikasjon, for optiske avstands- og hastighetsmålinger og i kvanteberegning. Nylig har det i økende grad dukket opp nye grensesnitt mellom fotonikk og andre forskningsfelt, som elektronmikroskopi. For eksempel har optiske mikrobrikker nylig vært i stand til å påvirke elektronstråler. I sin tur kan elektroner brukes til å måle lysfelt. Når et elektron passerer gjennom et intenst lysfelt, akselereres eller bremses det avhengig av ankomsttid og feltets styrke. Forskere kan da trekke direkte konklusjoner om lysets egenskaper fra den endrede hastigheten til elektronet. Illustrasjon av samspillet mellom elektronstrålen (grønn) og en soliton-lyspuls som sirkulerer i ringresonatoren (farget på hvit bakgrunn). Endringene i elektronstrålen gir informasjon om egenskapene til lyspulsen. (Bilde: Ryan Allen, Second Bay Studios)

Ulike lystilstander analysert

I en ny studie publisert i tidsskriftet Vitenskap ("Frielektroninteraksjon med ikke-lineære optiske tilstander i mikroresonatorer"), har et team ledet av Claus Ropers fra Max Planck Institute (MPI) for Multidisciplinary Sciences i Göttingen og Tobias Kippenberg fra Swiss Federal Institute of Technology i Lausanne (EPFL) nå undersøkt ulike ikke-lineære optiske prosesser ved bruk av en elektronstråle. For å gjøre dette plasserte de en ringformet lyslagringsenhet, en såkalt mikroresonator, i en TEM og genererte lys med forskjellige bølgeformer i seg. Basert på den karakteristiske interaksjonen med elektronstrålen kunne de deretter analysere de forskjellige lystilstandene i detalj. "Hvis vi plasserer elektronstrålen på en slik måte at elektronene flyr forbi resonatorene, kan vi måle den nøyaktige påvirkningen av lysfeltet på elektronenergien," forklarer Jan-Wilke Henke fra MPI. Hans kollega Jasmin Kappert legger til: "Hver av lysets mulige bølgeformer etterlater et karakteristisk fingeravtrykk i elektronspekteret, som gjør oss i stand til å spore dannelsen av de forskjellige tilstandene." De to doktorgradsstudentene utførte forsøkene i Laboratoriet for ultrarask transmisjonselektronmikroskopi ved MPI i Göttingen. De nødvendige fotoniske brikkene ble utviklet av teamet i Lausanne.

Lyspulser som varer mindre enn en tiendedel av en trilliondels sekund

Forskerne lyktes imidlertid ikke bare med å karakterisere lysfelt basert på deres effekt på elektroner: "I våre eksperimenter genererte vi også såkalte solitoner - stabile, ultrakorte lyspulser som varte mindre enn en tiendedel av en trilliondels sekund," forklarer fysiker Yujia Yang fra EPFL. Muligheten for å generere solitoner i en TEM utvider bruken av ikke-lineær optikk og mikroresonatorer til uutforskede områder, sier Tobias Kippenberg. "Samspillet mellom elektroner og solitoner kan blant annet muliggjøre ultrarask elektronmikroskopi med en enestående høy repetisjonshastighet." Max Planck-direktør Claus Ropers legger til: «Våre resultater viser at elektronmikroskopi er ideelt egnet for å undersøke ikke-lineær optisk dynamikk på nanoskala. Vi antar også at det vil være mange flere bruksområder for denne teknologien i fremtiden, både for romlig og tidsmessig manipulasjon av elektronstråler.»

• SEO-drevet innhold og PR-distribusjon. Bli forsterket i dag.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrk deg selv. Tilgang her.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Kunnskap forsterket. Tilgang her.
• PlatoESG. Karbon, CleanTech, Energi, Miljø, Solenergi, Avfallshåndtering. Tilgang her.
• PlatoHelse. Bioteknologisk og klinisk etterretning. Tilgang her.
• kilde: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news3/newsid=64415.php